Файл: Арцимович, Г. В. Влияние забойных условий и режима бурения на эффективность проходки глубоких скважин.pdf

Максимальные растягивающие напряжения возникают у наи­

большего расширения «чаши». Картина траекторий главных

нормальных напряжений совпадает- с формой кратера, об­

разующегося при «скачке» разрушения. Полученные данные

свидетельствуют об идентичности заключительного этапа раз­

были приняты, исходя из соотношений, приводимых в рабо­ те [58[. Решалась плоская задача методом полос. Разделение главных напряжений велось методом численного интегриро-

46

вания. Новизна постановки задачи состояла в том, что серпо­ видная зона была выполнена из упругого материала, а штамп

брался сферической формы. Для обеспечения идеального при­

легания серповидной зоны к штампу и породе поступали сле­

дующим образом. После установления в исходное положение

названных составных частей модели в серповидное простран­ ство, образовавшееся между ними, заливалась специальная

быстротвердеющая и не дающая усадки паста К-5.

После обработки полученных материалов измерений были

построены: траектории главных нормальных напряжений

(рис. 23), главных касательных напряжений (рис. 24) и изо­

бары радиальных и тангенциальных нормальных напряжений (рис. 25). Анализ численного и графического материала позво­ лил установить, что траектории главных нормальных напря­ жений (см. рис. 23) при принятой структуре центрального ядра

не совпадают с направлениями развития трещин при обра­

зовании кратера разрушения в натурных условиях. Это ста­

вит под сомнение правомерность принятой в опыте структуры ядра. Основываясь на данных рис. 24, следует ожидать, что

Рис. 23. Изоклины (справа) и изостаты (слева) главных нор­ мальных напряжений.

47

Рис. 24. Изостаты максимальных касательных напряжений.

Рис. 25. Изобары главных радиальных (стг) и тангенциальных (с0) напряжений.

начальной причиной зарождения равновесных трещин на участ­

ке максимального расширения ядра, тем более что в этом мес­

те имеется относительный максимум напряжений Hefo) (см.

рис. 25).

В процессе развития трещины могут приобрести неравно­

весный характер и выйти на открытую поверхность. Однако появление равновесных трещин приводит к перераспределе­ нию напряжений и формированию новой системы сил.

48

Р и с . 2 6 . Изобары максимальных касательных напряжений.

Интересно рассмотреть также поле изостат главных касатель-

ных напряжений, приведенных на рис. 24, и изобар этих 'же

напряжений (рис. 26).

Траектории главных касательных напряжений очень хо­

рошо согласуются с направлениями трещин, развивающихся при выколе. На рис. 26 зона наиболее вероятного развития трещин

выкола показана штриховыми линиями. Следует отметить, что в этой области не отмечается максимальных величин касатель­ ных напряжений, и в то же время относительный уровень нор­ мальных сжимающих напряжений достаточно высок. По­ скольку предельные значения максимальных касательных на­ пряжений на площадках находятся в зависимости от уровня

действующих здесь сжимающих напряжений, трудно пред­

полагать, что трещины выкола связаны с достижением каса­ тельными напряжениями предельных значений.

Еще один факт свидетельствует в пользу высказанного пред­ положения. Если выкол биконической крышки происходит под воздействием касательных напряжений, то она всегда должна быть рассеченной радиальными трещинами. Если же причиной

разрушения являются нормальные напряжения и исследуемое

полупространство изотропно, то выкалываемая крышка оста­ ется целой, что мы многократно наблюдали при экспериментах на стекле, песчанике, литографском камне.

Таким образом, обе исследованные структурные схемы ядра

сжатия расширяют представления о механизме разрушения горных пород при вдавливании элементов породоразрушаю­ щего инструмента. Однако нужно иметь в виду, что экспери-

ментальные материалы, характеризующие напряженное со­ стояние массива при второй схеме ядра, получены для плоской, модели. В этом случае граничные условия на поверхности

вдавливания штампа характеризуются равенством нулю ка­

сательных напряжений. При действии же штампа на полу­

пространство эти условия не выдерживаются, и высказанные

соображения для плоской модели можно распространять на

объемную задачу весьма условно. Следует также отметить,

что механизм разрушения пород упруго-пластического класса изучен менее детально и усилия исследователей должны быть

направлены на скорейшую ликвидацию этого пробела. При даль­

нейшем ведении работ названного плана необходимо иметь в виду, что вообще для пород этого класса строгое применении схемы разрушения с образованием конусной трещины требует дополнительного обоснования, так как имеющийся экспе­

риментальный материал противоречит отдельным положениям схемы. Сюда могут быть отнесены следующие достоверно ус­

тановленные факты: плавное изменение кривизны конусной трещины на всем пути ее распространения от начала зарож­ дения до выхода на открытую поверхность; отсутствие «хвос­ тов» при статическом вдавливании; образование конусных тре­ щин, ветвящихся от кромки штампа или далее в глубине массива, и др.

Кроме того, нельзя забывать, что применение аналитических

решений теории упругости к породам, проявляющим в значи­ тельной степени пластические свойства, неправомерно, а если и допустимо, то в упругой части.

§ 5. ВЛИЯНИЕ ЗАБОЙНЫХ УСЛОВИЙ НА МЕХАНИЗМ РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД

Исследование проводилось одновременно с изучением ме­ ханических свойств горных пород в условиях, моделирующих забой глубоких скважин. Необходимо было объяснить фи­ зическую природу изменений механических свойств пород и энергоемкости изучаемого процесса в условиях высоких дав­

лений.

Установлено, что хрупкие материалы (стекло, кварцит)

сохраняют механизм разрушения, присущий им в атмосфер­

ных условиях. Однако угол распространения конусной тре­

щины резко возрастает с 27—33° в атмосферных условиях до 57 —60° при всестороннем давлении 600 ат. Катастрофически снижается объем зоны разрушения (в 8,5 раз), что хорошо видно

50